“控制系統(tǒng)綜合實驗”教學(xué)探討＊

陳劍雪 ， 劉 燁

（上海工程技術(shù)大學(xué)電子電氣工程學(xué)院，上海 201620）

“控制系統(tǒng)綜合實驗”是一門重要的集中實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，主要是通過MATLAB/Simulink軟件來進行控制系統(tǒng)的分析、建模、設(shè)計和仿真，將自動控制理論、現(xiàn)代控制理論、智能控制等課程以及畢業(yè)設(shè)計等密切聯(lián)系在一起的仿真類實踐環(huán)節(jié)[1]。

“控制系統(tǒng)綜合實驗”涉及控制理論、計算數(shù)學(xué)和計算機等相關(guān)知識，近年來隨著智能控制、優(yōu)化計算、圖像分析和處理、圖像識別等技術(shù)的發(fā)展，控制系統(tǒng)仿真實驗的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，仿真效果也不斷提高。MATLAB軟件中的工具箱的使用，Simulink中控制模型的模塊化設(shè)計方法、S函數(shù)的編寫，圖形用戶界面系統(tǒng)的設(shè)計等，涉及多門交叉課程，實踐內(nèi)容豐富，從控制系統(tǒng)建模、分析，到控制器的設(shè)計，以及圖像處理和優(yōu)化計算等，為學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計打下良好的仿真基礎(chǔ)。

1 “控制系統(tǒng)綜合實驗”教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)

在工業(yè)控制領(lǐng)域，仿真技術(shù)已經(jīng)成為控制系統(tǒng)設(shè)計的重要技術(shù)手段之一，現(xiàn)在，仿真技術(shù)已經(jīng)進入全數(shù)字仿真階段?！翱刂葡到y(tǒng)綜合實驗”是一門重要的集中實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，主要是通過MATLAB軟件來進行控制系統(tǒng)的設(shè)計和仿真。該課程實踐性較強，對培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、研究問題和解決問題能力有很大的幫助，也有助于理論聯(lián)系實踐、實踐促進對理論的理解。學(xué)好這門課程，可以為后面的畢業(yè)設(shè)計打下基礎(chǔ)。在國內(nèi)外很多高校自動化專業(yè)都開設(shè)了“控制系統(tǒng)仿真技術(shù)”或“控制系統(tǒng)仿真與CAD”的課程。比如太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院開設(shè)的“控制系統(tǒng)仿真技術(shù)”課程，東北大學(xué)開設(shè)的“控制系統(tǒng)仿真與CAD”課程。這些課程里面都有課內(nèi)上機實驗環(huán)節(jié)。曲阜師范大學(xué)工學(xué)院開設(shè)的“控制系統(tǒng)仿真”課程，其中課內(nèi)實驗內(nèi)容主要涉及MATLAB軟件中M文件編程實現(xiàn)控制系統(tǒng)分析和設(shè)計，以及使用Simulnk進行控制系統(tǒng)仿真。

目前，上海工程技術(shù)大學(xué)電子電氣工程學(xué)院自動化專業(yè)開設(shè)“控制系統(tǒng)綜合實驗”這門實踐類課程，該實驗主要圍繞三方面展開：1）控制系統(tǒng)建模、分析和設(shè)計；2）圖像分析處理和界面設(shè)計；3）最優(yōu)化問題的求解。綜合性較強，主要是用MATLAB程序設(shè)計和Simulink模塊化設(shè)計來分析和解決自動化系統(tǒng)領(lǐng)域中的實際問題，包括控制系統(tǒng)分析、建模和設(shè)計，圖像特征提取和處理，以及在設(shè)計開發(fā)解決方案的過程中運用最優(yōu)化方法進行工程管理與經(jīng)濟決策[2]。

通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠根據(jù)對象特征，選擇建模方法，運用MATLAB軟件在計算機上對控制對象進行建模；在控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中能夠?qū)刂破鞯念愋瓦M行選擇，并編程實現(xiàn)控制器的功能，使控制系統(tǒng)能夠取得良好的控制效果；為了能夠解決計算機視覺領(lǐng)域中遇到的問題，也要求學(xué)生掌握常見的圖像處理、圖像分割的仿真方法；并能夠掌握最優(yōu)化問題的求解方法，運用MATLAB軟件來解決經(jīng)濟和管理學(xué)中的優(yōu)化問題。

2 實踐教學(xué)中存在的問題和解決方案

“控制系統(tǒng)仿真”課程實踐性較強，為了更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力，該校將自動化專業(yè)“控制系統(tǒng)仿真”課程改成了“控制系統(tǒng)仿真綜合實驗”。從以教師為中心、理論教學(xué)為主、學(xué)生實踐為輔的教學(xué)過程轉(zhuǎn)換成以學(xué)生為中心、學(xué)生參與為主的集中實踐過程，在實踐過程中學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、查閱資料解決問題，老師引導(dǎo)和幫助學(xué)生完成實驗項目。

在集中實踐教學(xué)過程中，一些學(xué)生在參與實驗項目的過程中不能有效查閱相關(guān)資料，編程實踐能力較差，導(dǎo)致實驗進度緩慢。為了更好地培養(yǎng)學(xué)生的主觀能動性和實踐能力，線上和線下相結(jié)合，建立實驗課程網(wǎng)站，要求學(xué)生提前在課程網(wǎng)站上查閱相關(guān)資料，觀看有關(guān)的學(xué)習(xí)視頻，進行實驗課前準(zhǔn)備，以便在實驗過程中激發(fā)學(xué)生的積極主動性，使學(xué)生更加高效地完成實驗項目，并能在完成實驗項目后，能對實驗中學(xué)到的建模方法、控制系統(tǒng)設(shè)計方法進行分析和改進。

對于控制系統(tǒng)仿真實驗這個集中實踐環(huán)節(jié)，學(xué)生進行系統(tǒng)建模、分析、設(shè)計和仿真能力的培養(yǎng)，要貫穿到實驗項目中。在原來的實驗項目設(shè)計中有些實驗項目較為簡單，不利于學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)。對實驗項目進行改進和完善，提高實驗項目的創(chuàng)新性和綜合性，在控制系統(tǒng)設(shè)計和仿真中，引入了滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)和智能PID控制系統(tǒng)的設(shè)計和仿真，并對控制系統(tǒng)建模和圖像分析、處理等實驗進行了進一步的完善，在實驗內(nèi)容的安排上由淺入深，使學(xué)生逐漸地提高控制系統(tǒng)分析和解決實際問題的能力[3]。

3 基于MATLAB的控制系統(tǒng)建模、設(shè)計和仿真

利用MATLAB/Simulink仿真平臺進行控制系統(tǒng)建模、設(shè)計和仿真具有十分重要的理論意義和實踐意義。控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的有效性直接關(guān)系到對系統(tǒng)性能的分析結(jié)果，所以建立合理有效的數(shù)學(xué)模型是控制系統(tǒng)分析中首先要解決的問題。所設(shè)計的實驗項目中實現(xiàn)了一階倒立擺和二階倒立擺數(shù)學(xué)模型的建立，并要求學(xué)生掌握根據(jù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中各模塊的連接關(guān)系編程建立系統(tǒng)模型的方法。對于數(shù)學(xué)模型過于復(fù)雜的對象，或者是難以建立數(shù)學(xué)模型的對象，如果已知對象的輸入輸出數(shù)據(jù)，可以用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來對對象進行建模，通過實驗學(xué)生也掌握了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模的方法。

比例積分微分控制（PID控制）廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制中，該控制方法具有算法簡單、魯棒性和可靠性好的優(yōu)點，其原理是控制器根據(jù)給定值和實際輸出值之間的控制偏差進行比例、積分和微分運算產(chǎn)生控制信號，對控制參數(shù)進行控制。在PID控制仿真實驗項目中，學(xué)生通過仿真掌握了比例增益、積分時間和微分時間的變化對控制系統(tǒng)暫態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能的影響，然后對PID控制系統(tǒng)進行校正設(shè)計，掌握了常見的PID參數(shù)的整定方法，通過從簡到難的仿真，學(xué)生較好地掌握了PID控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。從控制系統(tǒng)的建模到PID控制器的設(shè)計，通過前2個實驗項目，學(xué)生已經(jīng)可以結(jié)合一些實際的工業(yè)對象進行控制系統(tǒng)的設(shè)計和控制器參數(shù)的整定。

對于控制系統(tǒng)的仿真，可以在MATLAB軟件中編程實現(xiàn)，也可以在Simulink仿真平臺下模塊化設(shè)計和仿真。Simulink平臺將連接控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中的相應(yīng)模塊，并進行模塊和仿真參數(shù)的設(shè)置，可以非常方便地進行控制系統(tǒng)的建模和仿真分析。如果在Simulink仿真平臺下仿真，對于智能PID控制器的實現(xiàn)要通過S函數(shù)模塊來實現(xiàn)，編寫S函數(shù)程序來實現(xiàn)智能PID控制器，控制器能根據(jù)控制系統(tǒng)的偏差和偏差導(dǎo)數(shù)的變化來調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù)，達到更好的控制效果。對于S函數(shù)的編寫方法，實驗項目的設(shè)計上由淺入深，從只有輸出方程的簡單智能PID控制器的實現(xiàn)到具有狀態(tài)方程和輸出方程的復(fù)雜滑模變結(jié)構(gòu)控制器的實現(xiàn)，學(xué)生較好地掌握了S函數(shù)的編寫方法，能夠在Simulink仿真平臺下進行復(fù)雜控制系統(tǒng)的設(shè)計和仿真，取得了較好的實驗效果[4]。對于復(fù)雜控制系統(tǒng)的設(shè)計和仿真，可以采用分組完成的方式，學(xué)生以小組形式互相討論，可以更好地相互交流，團隊合作完成實驗項目?？刂葡到y(tǒng)建模、設(shè)計和仿真是“控制系統(tǒng)綜合實驗”課程的重點，有了自動控制理論、現(xiàn)代控制理論、智能控制課程的理論基礎(chǔ)，學(xué)生通過上機實踐，較好地掌握了實驗內(nèi)容，取得較好實驗效果。

4 控制系統(tǒng)中圖像處理技術(shù)的應(yīng)用和仿真

隨著圖像處理技術(shù)的發(fā)展，圖像處理技術(shù)在系統(tǒng)運動分析和控制中的應(yīng)用越來越廣泛。在一些運動控制系統(tǒng)中，為了保證物體運動軌跡的實時控制，實時采集運動區(qū)域圖像，采用圖像處理技術(shù)分析系統(tǒng)運動區(qū)域的運動物體和障礙物的位置，然后由控制器根據(jù)運動物體和障礙物的位置發(fā)出控制指令，控制物體運動軌跡。圖像處理技術(shù)也應(yīng)用于輪胎胎面糾偏控制系統(tǒng)中。在輪胎生產(chǎn)過程中，實時采集和處理胎面圖像，分析出胎面的偏移角度，反饋給控制器，由控制器來產(chǎn)生控制信號來調(diào)整糾偏皮帶，保證皮帶無偏移地輸送。

在圖像處理的實驗項目中，學(xué)生掌握了圖像常見的處理方法，并用MATLAB軟件進行仿真。從基本的圖像讀入、圖像類型的轉(zhuǎn)換到不同類型圖像的消噪和分割等圖像處理技術(shù)的仿真，學(xué)生對一般圖像處理的流程和方法有較為熟練的掌握。仿真過程中由易到難，從灰度圖像的消噪到彩色圖像的消噪，學(xué)生較好地掌握了對RGB彩色圖像數(shù)據(jù)的高維特點，如何利用RGB三通道的分離進行圖像數(shù)據(jù)矩陣的降維處理，分別消噪降維處理后三通道的RGB圖像數(shù)據(jù)，再進行RGB三通道圖像數(shù)據(jù)合成，得到消噪后的RGB彩色圖像數(shù)據(jù)。在圖像分割的仿真時，學(xué)生也利用了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行了灰度圖像分割模型的訓(xùn)練，學(xué)會了如何針對不同的灰度圖像來調(diào)整訓(xùn)練時灰度的閾值從而提高分割效果的方法。

5 結(jié)語

筆者對自動化專業(yè)集中實踐類課程“控制系統(tǒng)綜合實驗”進行了實驗教學(xué)研究，根據(jù)實驗教學(xué)目標(biāo)設(shè)計了實驗項目，分析了仿真實驗過程中存在的問題，提出了相應(yīng)的解決方案。在實踐過程中加以實施，取得了較好實驗教學(xué)效果，學(xué)生理論聯(lián)系實踐的能力得到了很大提高，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新實踐能力。